如何在严苛的工业环境中节省连接器空间同时保持灵活性

来源：Digi-Key
作者：Art Pini

在工业环境中，由于很难可靠地拆除并重新安装电线电缆，因此有线连接的设备很难更换或升级。同样，增设新的传感器、处理器或其他元器件往往需要全部更换和重新布线。

此外，随着工业设备的尺寸越来越小，可用于安装多个连接器的空间也越来越有限。同时，为了实现面板密度良好的高效布局，需要更小的连接器，以便在单个连接器中统合多种类型的连接。

在维护设备完整性方面，工业环境存在特有的挑战：必须防止液体和灰尘侵入，以避免损坏脆弱的元器件。

用模块化连接器取代硬接线设备的连接器化方案，解决了所有这些问题。此类连接器结构紧凑，单个连接器中可以统合多种布线类型。由于采用模块化结构，这些连接器可以快速重新配置以适应修改和更新，而不需要更换设备或电缆。另外，环境强化的模块化连接器密封性佳，可防灰尘和液体，并且不受消毒高压水柱的影响。

本文讨论了模块化连接器的基础知识，说明了连接器的选择、组装和使用。在说明过程中，本文介绍了 HARTING 的连接器示例，设计人员可以在下一次工业系统设计中使用这些连接器。

用模块化连接器实现连接器化

有两种方法可以将电源、信号和数字数据接入工业设备或应用。

布线可以是永久性硬接线，也可以使用连接器安装。具体选择取决于几个因素。最重要的因素可能是设备断开连接和需要重新连接的频率。如果必须重新连接硬接线的设备，每条线缆都需要谨慎拆除与重新连接，从而导致高昂的人工成本。误接的几率很高，而且可能需要花几个小时来排除故障以纠正错误。

使用连接器起初可能花费较高，但一旦做出决定，重新布线就会变成即插即用，很难出现误接线，从而减少了对熟练劳动力的需求。因此，使用连接器替代硬接线电缆（即连接器化）会带来许多长期利益。

如果使用模块化连接器，安装的灵活性会提高。考虑一种能够处理电源、传感器、模拟和数字信号甚至是气动装置的模块化连接器（图 1）。有各种各样的模块可用。示例中展示了 RJ45 和 USB 串行数据总线、三个具有不同引脚直径的多引脚模块，以及一个有三条气动线的模块。


图 1：模块化连接器可以在单个连接器中处理信号、电源、数字通信接口甚至是气动装置。这些模块可以根据需要快速方便地更换。（图片来源：HARTING）

模块化连接器配置

图 2 中显示了模块化连接器的各种组成元件的简单名称。


图 2：HARTING 模块化连接器的组成元件名称。框架用于固定模块，并装入外壳或防护罩内。连接器很容易打开，需要修改时，只需将模块重新排布或增减模块。（图片来源：HARTING）

基本连接器的固定部分是外壳。活动部件的配接端是防护罩。框架装在外壳或防护罩内，用于锁定模块。可以使用伪模块为连接器配置额外的空间，以便将来进行扩展。两个配接连接器用螺纹或闩锁固定在一起。防护罩可以通过顶部、多个顶部、侧面或多个侧面通道接入电缆。可以从顶部或底部进入外壳。

鉴于 HARTING 提供的模块、外壳、防护罩和其他连接器元件数量众多，要选择合适的选项可能是一项复杂的工作。HARTING 的在线配置程序简化了这一过程，使选择和设计模块化连接器变得容易（图 3）。


图 3：HARTING Han 在线配置程序的用户界面简化了模块化连接器元件的设计和选择。（图片来源：HARTING）

该配置程序可引导设计人员选择用于连接器的电线、数据、光学和气动元件。每个元件都有诸多选择，用户可以根据目标设计选择匹配的选项。

该示例展示了电气元件的选择。用户输入电线介质的数量和类型、载流要求以及其他一些与设计有关的问题。配置程序迅速显示一些可能的配置，列出零件，同时提供组件的等距图（图 4）。


图 4：配置程序渲染的六针电线插头和底座插座以及相关的底座、防护罩和电缆夹。（图片来源：HARTING）

该设计有完整的文档，包括可下载的零件清单、3D 模型、规格书、型号表和产品声明。

在所示的例子中，问题包括底座的类型、所需的锁、导线数量、预期的最大电流和电压水平以及使用环境。得出的配置包括 HARTING 09400060311 面板安装底座。底座为压铸铝，使用螺纹锁定，可用于恶劣的环境。该底座与 HARTING 09140060371 双模块、铰链式、重型固定框架相匹配。该框架的空间可容纳两个模块。选择的模块是一个六位内螺纹模块，即 HARTING 09140063101。相关的银色压接引脚插座是 HARTING 09330006220，适用于 20 AWG 电线。

连接器的电缆侧基于压铸铝 HARTING 19400060411 连接器防护罩及其相关的 HARTING 09140060361 重型双模块固定框架。该框架可接受带有 HARTING 09330006121 20 AWG 银色压接引脚的 HARTING 09140063001 外螺纹模块。防护罩组件的顶部有一个 HARTING 19000005090 黄铜 9-16 电缆夹。底座和防护罩可容纳两个模块，因此任何未使用的位置都可以装入伪模块，如 HARTING 09140009950。

环境耐受性

所有 HARTING Han HPR 元件的工作温度范围都是 -40°C 至 +125°C，其密封性和环境耐受性等级高达 IP68 和 IP69K。

IEC 60529 定义的侵入防护 (IP) 等级表示连接器元件对外部影响的防护程度。外部影响包括机械冲击、异物、湿度、灰尘和液体（如水、燃料、清洁液、冷却剂和油）。

IP 等级中的第 1 个数字是对固体物的耐受性。防护等级为 0 至 6 级。数字 6 表示最高防护等级。等级 6 的连接器能够防尘，并且针对固体颗粒物提供全面防护。IP 等级中的第 2 个数字是对液体的耐受性。该数字的范围从 0 到 9。等级 8 意味着该设备防水，并且具有水压防护能力。等级 9K 表示针对蒸汽喷射压力清洁剂和类似压力驱动液体的防护。因此，IP68 或 IP69K 的等级非常优异。

HARTING Han HPR 系列适用于恶劣的户外环境。压铸铝防护罩和外壳具有环氧粉末涂层，抗腐蚀能力出色，同时具有良好的密封性，可耐受潮湿环境。金属元件具有出色的电磁兼容特性。

该系列连接器提供多达 16 个编码键位，可确保电缆配接正确，适用于使用相同连接器进行多次安装的场景。此外，HPR 紧凑系列可节省空间并减轻重量，比相应的 HPR 标准连接器轻 25%。

总结

要在确保连接完整性、灵活性和可扩展性的同时符合外形尺寸要求和工业环境的严格要求，对设计人员来说具有挑战性。如前所述，基于高度可配置、紧凑型模块化方法的连接器化，加上便捷的在线连接器元件选择工具，极大地简化了这一过程。